Совсем недавно прогнозирование надежности на основе физики связало частоту отказов электронных узлов с величиной изменения температуры в течение рабочего цикла (включение, выключение, включение…) и скоростью изменения температуры, на оба из которых влияет по установившейся рабочей температуре.
Отказы электроники часто связаны с усталостью паяных соединений в межсоединении корпуса. В некоторых приложениях, например компьютерных, где производительность имеет решающее значение, температура отрицательно влияет на скорость. В других случаях компоненты должны работать при очень похожих температурах, чтобы избежать проблем с синхронизацией. Высокие температуры могут вызвать проблемы в работе, например защелкивание. Независимо от того, намерены ли вы повысить надежность, улучшить производительность или избежать проблем во время эксплуатации, точное прогнозирование температур компонентов помогает разработчикам тепловых систем достичь своих целей.
Максимальная точность прогнозирования температуры компонентов
Надежное и точное прогнозирование температуры компонентов позволяет проектировщикам понять, насколько близки расчетные значения к максимально допустимой* температуре. Вот пять советов, как добиться высокоточного прогнозирования температуры компонентов на протяжении всего процесса проектирования и повысить уверенность в окончательных результатах моделирования.
Совет 1. Моделируйте ключевые компоненты явно
Чтобы точно спрогнозировать температуру ключевого компонента, компонент должен быть смоделирован явно в рамках теплового моделирования. Однако не все компоненты необходимо моделировать, и зачастую это непрактично. Небольшие компоненты с низкой удельной мощностью, которые не особенно термочувствительны, можно рассматривать как термически безопасные, и их не нужно представлять дискретно. Тепло от этих компонентов можно добавлять в качестве фонового источника тепла, распространяющегося по всей плате, или в качестве источника тепла, занимающего площадь на плате. Программное обеспечение для моделирования охлаждения электроники должно предоставлять возможности фильтрации, чтобы делать это автоматически на поздних стадиях проектирования, когда заполненная разводка платы импортируется из системы EDA.
Рисунок 1. Тепловая модель инсулиновой помпы с компонентами, смоделированными с разной степенью детализации.
Более крупные компоненты могут нарушить воздушный поток, что потребует их непосредственного представления в виде 3D-объектов. Одним из классов компонентов, которые могут попасть в эту категорию, являются электролитические конденсаторы, используемые, например, в источниках питания. Они термически чувствительны и имеют низкую максимально допустимую температуру. Точное моделирование электролитических конденсаторов может помочь гарантировать, что их максимальная температура не будет превышена.
Большие, мощные компоненты и компоненты с высокой удельной мощностью необходимо будет моделировать дискретно, поскольку их управление температурным режимом и влияние на соседние компоненты важны для общего теплового расчета продукта.
Совет 2. Используйте точные оценки мощности
Как отмечалось выше, часть решения о том, необходимо ли представлять компонент, напрямую зависит от его плотности мощности, которая представляет собой мощность компонента, деленную на его площадь.
Стоит перепроверять решения о том, какие компоненты моделировать отдельно, по мере развития конструкции и появления дополнительной информации. На ранних стадиях проектирования можно использовать только максимальную номинальную мощность компонента вместо оценки вероятного энергопотребления. Бюджеты мощности для отдельных компонентов и платы в целом могут меняться в ходе проектирования, поэтому их необходимо регулярно проверять.
Рис. 2. Пример зависимости мощности от времени
Совет 3. Используйте правильную тепловую модель упаковки
Золотое правило — начинать рано и начинать с простого. Инженер-механик, ответственный за тепловую целостность продукта, должен стремиться предоставить инженерам-электронщикам как можно больше полезной обратной связи, чтобы они могли помочь при проектировании в отношении теплового воздействия их выбора, особенно на ранних этапах проектирования.
С точки зрения инженера-механика, на уровне печатной платы это влечет за собой помощь в выборе корпуса и наилучшем расположении компонентов для использования воздушного потока системы для охлаждения. Неизбежно, что и компоновка, и выбор упаковки обусловлены, прежде всего, сочетанием электронных характеристик и соображениями стоимости. Тем не менее, последствия такого выбора для тепловых характеристик должны быть как можно более ясными, поскольку температура и охлаждение также влияют на производительность и стоимость. Выбор тепловой модели компонента зависит от нескольких факторов.
На ранних стадиях проектирования, до того как плата будет трассирована или известно количество слоев в плате, точное предсказание температуры компонента просто невозможно, поэтому создание термически сложной модели компонента не требуется. На более позднем этапе проектирования, когда модель печатной платы может быть уточнена, необходимо также уточнить тепловую модель компонента. Выбор наиболее подходящей тепловой модели компонента является итеративным, поскольку компоненты, которые, по прогнозам, будут горячими*, сами указывают на необходимость уточнить тепловую модель компонента и, возможно, рассмотреть решение по управлению температурным режимом для конкретного компонента. Конструкция платы может стать частью этого решения по управлению температурным режимом, например, с использованием тепловых переходов для отвода тепла к заглубленной заземляющей пластине.
Совет 4. Используйте компактные тепловые модели, созданные на ранних стадиях проектирования.
Перед выбором упаковки важно точно смоделировать компоненты и использовать трехмерное представление компонента в тепловом расчете. Были представлены компактные тепловые модели с 3 резисторами и DELPHI. Здесь мы более подробно обсудим точность прогнозирования этих и других тепловых моделей.
Модели с 2 резисторами
Как уже отмечалось, компактная тепловая модель с двумя резисторами (CTM) является моделью с самой низкой точностью, способной прогнозировать температуру как корпуса, так и перехода. Одним из преимуществ является то, что для него не требуется больше сетки, чем для простого проводящего блока, поэтому использование моделей с двумя резисторами не оказывает негативного влияния на время моделирования. Хотя это требует наименьшей вычислительной нагрузки, ошибка прогнозирования температуры перехода в худшем случае может достигать ± 2% и зависит как от типа упаковки, так и от размера упаковки. Термические показатели сопротивления перехода к корпусу и сопротивления перехода к плате, на которых основана эта модель, измеряются в стандартизированных условиях.
Стандарт JEDEC JESD15-3 требует, чтобы сопротивление перехода к плате измерялось на плате 2s2p с непрерывным питанием и плоскостями заземления. Сопротивление перехода к корпусу измеряется путем прижатия верхней части корпуса к холодной пластине. В результате точность прогнозирования модели с двумя резисторами тем выше, чем больше приложение соответствует условиям тестирования.
Что касается сопротивления перехода к корпусу, среда применения, которая наиболее точно соответствует испытательной среде, — это когда компонент имеет радиатор, покрывающий всю поверхность корпуса. По этой причине модели с двумя резисторами можно использовать для первоначальной оценки необходимого размера радиатора.
Обратите внимание, что верхняя поверхность модели с двумя резисторами представляет собой изотермический узел, представляющий корпус, поэтому основание радиатора будет удерживаться близко к изотермическому. Таким образом, модель с двумя резисторами можно использовать для определения количества ребер, их толщины и высоты, необходимых для уменьшения теплового сопротивления радиатора на воздушной стороне, но не для определения толщины основания, необходимой для адекватного распределения тепла и обеспечения его теплоотвода. переход к внешним плавникам не слишком ограничен.
Модели ЖБ-лестниц
Для корпусов, имеющих один путь теплового потока, таких как светодиоды и корпуса типа TO, существует стандартный подход JEDEC 3 для измерения терморезистора.конденсатор модель пути теплового потока от места соединения до вкладки на упаковке. Обратите внимание, что этот метод не обеспечивает непосредственно термическое сопротивление открытой верхней поверхности упаковки. Однако, если это можно оценить каким-либо образом, аппаратное обеспечение Simcenter Micred T3STER можно использовать для создания тепловой модели RC-лестницы, которая учитывает это.
Simcenter Micred T3STER — это ведущее в отрасли решение для измерения корпусных микросхем для создания тепловых моделей, которые можно использовать непосредственно в качестве сетевой сборки в Simcenter Flotherm. В отличие от моделей с двумя резисторами, которые содержат только терморезисторы, эти модели включают тепловые конденсаторы и могут использоваться для моделирования переходных процессов. Эти модели могут давать превосходные результаты, когда среда применения близка к среде испытательной холодной пластины, например, когда корпус припаян к MCPCB или медной контактной площадке на плате с высокой проводимостью.
Модели ДЕЛЬФИ
Модели DELPHI получили такое название, поскольку они возникли в результате проекта DELPHI, координируемого Flomerics Ltd. в конце 1990-х годов. Эти модели имеют разделенные верхнюю и нижнюю поверхности с матрицей терморезисторов для соединения этих поверхностей с местом соединения и/или друг с другом. Эти дополнительные внутренние терморезисторы позволяют тепловому потоку по этим путям внутри корпуса регулироваться в зависимости от граничных условий, и во многих приложениях модель прогнозирует точность температуры перехода с точностью до ± 10%, что является показателем наихудшего случая. В целом, модели DELPHI подходят для детального теплового проектирования всех корпусов, кроме наиболее термически критичных, многослойных или трехмерных ИС, а также там, где в результате моделирования необходима дополнительная информация, например, распределение температуры на поверхности кристалла. Как и модели с двумя резисторами, они также содержат только резисторы, поэтому их можно использовать только для моделирования установившегося режима.
Подробные модели
Подробные модели — это тепловые модели, которые дискретно моделируют все термически важные характеристики внутренних частей корпуса. Обратите внимание, что эти модели часто содержат некоторую степень приближения, поскольку такие элементы, как отдельные соединительные провода и шарики припоя, часто объединяются. Однако такие модели призваны обеспечить точное представление распределения температуры внутри упаковки. Если геометрия и свойства материала правильные, такие модели обеспечивают высочайшую точность.
Рис. 3. Подробная тепловая модель корпуса микросхемы.
Компоненты, для которых требуются специальные решения по управлению температурным режимом, такие как радиатор, вентилятор или термопрокладка, должны быть детально смоделированы, чтобы правильно оптимизировать решение для охлаждения. Например, в случае с радиатором давно известно, что распределение температуры в корпусе влияет на распределение температуры в основании радиатора и наоборот. Следовательно, для таких целей рекомендуются подробные тепловые модели упаковки.
Еще одним преимуществом детальных моделей является то, что они позволяют прогнозировать температуру паяного соединения. Термомеханический сдвиг в сочетании с изменением температуры является основным фактором, влияющим на срок службы паяного соединения.
Рисунок 4. Распределение температуры на нижней стороне корпуса BGA с изображением отдельных шариков подошвы.
BCI-ПЗУ
Недавний прогресс в прогнозировании температуры компонентов произошел за счет использования моделей пониженного порядка или ПЗУ. ПЗУ теперь можно создавать независимо от их граничных условий (BCI), а не специально для данной тепловой среды. Это означает, что BCI-ROM могут создаваться поставщиками пакетов независимо от их тепловой среды и предоставляться конечным пользователям для использования при моделировании конкретной тепловой среды. Они доступны в различных форматах, таких как необработанные матрицы, SPICE, VHDL-AMS и FMU. Теперь в Simcenter имеется ряд возможностей создания BCI-ROM.
У BCI-ROM есть и другие очень желательные характеристики:
- Они очень точны: точность определяется как часть процесса создания (обычно > 98%).
- Поддержка нескольких источников тепла
- Поддержка всех временных рамок
- Скрыть конфиденциальные IP-адреса, поскольку внутреннюю геометрию родительской подробной модели, из которой они получены, невозможно реконструировать из ПЗУ.
- Сообщайте соответствующую температуру перехода, определенную поставщиком, без необходимости указывать поставщику, где она находится в модели.
- Решайте на порядки быстрее, чем подробные модели
Основным преимуществом этого является то, что их можно включать в симуляторы цепей, такие как Xpedition AMS и PartQuest Explore, что позволяет им «учитывать температуру», что является ключом к получению точных оценок мощности на ранних этапах проектирования.
Использование BCI-ROM в 3D CFD-симуляторах может изменить правила игры в цепочке поставок тепловых моделей корпусов, а BCI-ROM также можно создавать для целых плат.
Совет 5: Создавайте модели по мере необходимости
На практике выбор тепловой модели может во многом зависеть от того, что имеется в наличии у поставщика. Даже сегодня мы обнаруживаем, что поставщики могут предоставлять информацию только в форме технических данных, например, в формате PDF, и они могут не содержать информации, необходимой даже для базового теплового расчета. Например, в паспорте данных может содержаться только тепловое сопротивление перехода к окружающей среде, которое нельзя использовать для проектирования, а только сравнение характеристик. JEDEC опубликовал JEP1817, стандартный формат файла для обмена данными теплового моделирования. Он основан на XML и использует ECXML, разработанный Siemens, сокращение от «расширяемый язык разметки для охлаждения электроники».
Мы надеемся, что эти советы положили начало вашему пути к улучшению прогнозирования температуры компонентов. Еще пять советов, пожалуйста. скачайте этот бесплатный технический документ.
Автор
Доктор Джон Парри, отраслевой директор Simcenter по электронике и Полупроводниковое, Программное обеспечение Siemens для цифровой промышленности
